孟 俊 永

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 機(jī)電制造安裝分局，四川 成都 610225)

1 概 述

四川華能東西關(guān)水電站位于四川省廣安市武勝縣禮安鎮(zhèn)，目前運(yùn)行的機(jī)組由重慶水輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造。由于目前運(yùn)行的機(jī)組存在諸多安全隱患，同時(shí)為了充分利用水力資源，提高東西關(guān)水電站的經(jīng)濟(jì)效益，四川華能東西關(guān)水電股份有限公司對(duì)東西關(guān)水電站4臺(tái)(套)額定功率為45 MW的水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備實(shí)施了技術(shù)改造，技術(shù)改造后的水輪發(fā)電機(jī)組額定功率為52.5 MW，全站裝機(jī)容量由180 MW升至210 MW，同時(shí)完成了調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)出口母線、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等的相關(guān)改造工作，技術(shù)改造工程由中國(guó)水利水電第五工程局有限公司承擔(dān)。

東西關(guān)水電站機(jī)組增容后，由于原主變低壓側(cè)母線為鋁母線，無(wú)法滿足增容后的承載量要求，技改方案為將舊雙槽鋁母線全部拆除，更換為雙槽銅母線。由于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及運(yùn)輸原因，單根銅槽母線長(zhǎng)度為4～6 m，銅母線段間的連接除部分采取軟連接方式外，多數(shù)采取焊接方式。銅母線的焊接在水電工程建設(shè)中并不多見(jiàn)，而且銅母線的焊接要求高、難度大，造價(jià)高，投入成本大。但是，由于銅母線具有較好的導(dǎo)電性且受電站原母線廊道等現(xiàn)有條件的限制，東西關(guān)水電站的母線選用了銅材料。東西關(guān)水電站發(fā)電機(jī)出口至主變使用雙槽型銅母線連接，銅母線材質(zhì)為紫銅，規(guī)格為[220 mm×90 mm×10 mm，長(zhǎng)度約800 m，主焊縫220條，母線上下加焊銅連接板，約1 400塊；發(fā)電機(jī)出口銅母線為矩形母線，規(guī)格為-120 mm×10mm，數(shù)量約800 m，接頭處采用焊接方式。

銅母線在水電站中的使用較為少見(jiàn)，而使用焊接方式連接的銅母線則更為少見(jiàn)，我公司之前尚未有實(shí)施類(lèi)似項(xiàng)目的先例。東西關(guān)水電站銅母線焊接工藝最初由母線制造廠引進(jìn)，并經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化，適合現(xiàn)場(chǎng)條件相對(duì)簡(jiǎn)易情況下的操作和實(shí)施，并順利完成了東西關(guān)水電站銅母線的焊接施工任務(wù)。筆者就東西關(guān)水電站銅母線的焊接進(jìn)行了介紹。

2 銅的焊接特點(diǎn)及焊接方法的選擇

要進(jìn)行銅母線的焊接加工，首先要了解銅材的焊接特點(diǎn)及一般的焊接方法。

2.1 銅的焊接特點(diǎn)

從相關(guān)技術(shù)資料可知，銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性和加工成型性。而進(jìn)行的銅焊接具有以下特點(diǎn)：

(1)高的熱導(dǎo)率。

常溫下純銅的熱導(dǎo)率比碳鋼大8倍，將純銅焊件局部加熱到熔化溫度需要大量的熱量，因此，在焊接時(shí)需要采用能量集中的熱源，否則熱量將被很快散失，純銅焊接時(shí)應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱。

(2)高的熱裂紋敏感性。

各種銅母材總含有一定量的雜質(zhì)而形成低熔共晶，焊件在凝固狀態(tài)或熱影響區(qū)存在低熔共晶薄膜，其可在焊接應(yīng)力作用下引起裂紋。

(3)接頭性能惡化傾向。

銅在焊接時(shí)，或多或少地會(huì)發(fā)生氧化和燒損現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生各種焊接缺陷, 可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度塑性、耐蝕性及導(dǎo)電性能的降低，銅在熔焊過(guò)程中，焊縫和熱影響區(qū)的晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，將在一定程度上影響到接頭的力學(xué)性能。為改善接頭的性能，除盡量減弱熱作用外，還應(yīng)控制焊縫的雜質(zhì)含量，并通過(guò)合金化對(duì)焊縫金屬作變質(zhì)處理。

從以上銅材的焊接特點(diǎn)可知：銅焊接時(shí)需要高溫加溫并合理控制焊接部件的冷卻，在焊接過(guò)程中要盡量保障焊縫處的清潔。

2.2 銅母線的焊接方法選擇

銅最常用的焊接方法是釬焊、手工鎢極氬弧焊及熔化極氬弧焊。由于銅母線承擔(dān)著導(dǎo)通電流的作用，釬焊的焊接質(zhì)量難以保證，而且東西關(guān)水電站到貨母線的焊接方式也不適用釬焊焊接的方式；手工鎢極氬弧焊焊接從焊接質(zhì)量上是可以保證的，但通過(guò)試焊發(fā)現(xiàn)，使用該種焊接方式存在預(yù)熱溫度偏高(需預(yù)熱600 ℃左右，低于該溫度焊接時(shí)會(huì)存在焊接質(zhì)量較差或無(wú)法融合的情況，對(duì)加溫和保溫條件要求比較苛刻)、焊接效率低、熱輻射較大而導(dǎo)致焊接人員也無(wú)法連續(xù)作業(yè)等缺陷，故使用該焊接方式無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)大量的焊接任務(wù)，該種焊接方法最終也未被采用；最后在施工現(xiàn)場(chǎng)確定使用熔化極氣體保護(hù)焊的焊接方式。該方法是通過(guò)可熔化的焊絲與母材之間的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲與母材金屬，并向焊接區(qū)域輸送保護(hù)氣體，使電弧和熔化的焊絲以及熔池與附近的母材金屬免受周?chē)諝獾挠泻ψ饔?，連續(xù)送進(jìn)的焊絲金屬不斷熔化，與熔化的母材金屬融合形成焊縫金屬。通過(guò)試焊，預(yù)熱溫度達(dá)到450 ℃～500 ℃即可滿足焊接要求，而且采用該焊接方式焊接時(shí)焊接效率較手工鎢極氬弧焊焊接方式高3～4倍，可以較快地完成預(yù)熱區(qū)域的焊接； 焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也及時(shí)彌補(bǔ)了預(yù)熱區(qū)域熱量的損失，因此，不會(huì)發(fā)生焊接過(guò)程中由于熱量降低融合不好而中斷焊接的情況。

3 東西關(guān)水電站母線現(xiàn)場(chǎng)采用的焊接工藝

3.1 焊接設(shè)備的選擇

確定使用熔化極氬弧焊的焊接方式，現(xiàn)場(chǎng)選用奧太NB-630系列氣體保護(hù)焊機(jī)，最大焊接電流可達(dá)630 A，滿足銅焊接大電流的要求，并配置有送絲機(jī)、半自動(dòng)焊槍等附件。

3.2 焊接材料的選擇

在選擇焊絲時(shí)，首先必須考慮母材金屬的牌號(hào)、板材厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及施工條件等因素，因此，在東西關(guān)水電站銅母線焊接時(shí), 選擇了與母材金屬成份相近的填充焊絲?，F(xiàn)場(chǎng)選用的為S201特制紫銅氬弧焊絲，該焊絲為含有少量硅錳磷等脫氧元素的特制紫銅焊絲，具有流動(dòng)性好、焊接工藝性能優(yōu)良、焊縫成型美觀、機(jī)械性能高以及抗裂性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于紫銅的熔極氬弧焊焊接(表1)。

表1 焊絲化學(xué)成分表/%

3.3 焊接工藝流程

焊接工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 焊接工藝流程圖

3.4 焊接操作方法

3.4.1 母材、焊材的檢驗(yàn)

材料進(jìn)場(chǎng)時(shí)，必須附有材料質(zhì)檢證明書(shū)及合格證原件，同時(shí)進(jìn)行外觀檢查，并按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)。焊絲應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《銅及銅合金焊條》(GB3670-83)的規(guī)定。

3.4.2 模擬練習(xí)，確定焊接參數(shù)

為保證焊接質(zhì)量，在母線施焊前，進(jìn)行了模擬練習(xí)，確定焊絲、保護(hù)氣體流量、焊接電流、送絲速度等焊接參數(shù)并應(yīng)符合下列要求：

(1)試樣的焊接材料、接頭型式、焊接位置、工藝等應(yīng)與實(shí)際施工時(shí)相同。

(2)在其所焊試樣中，抽取一件按下列項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)加倍取樣重復(fù)試驗(yàn)，直到合格為止，確定各種最佳焊接參數(shù)。

①表面及斷口檢驗(yàn)：焊縫表面有無(wú)氣孔、裂紋、咬邊等焊縫外觀缺陷；

②焊縫應(yīng)采用X光無(wú)損探傷，檢查發(fā)現(xiàn)有無(wú)夾渣、氣孔、未融合等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；

③電阻率測(cè)定：測(cè)量焊接試件的直流電阻，并根據(jù)長(zhǎng)度、截面積換算電阻率，對(duì)于電阻率高于銅電阻率值110%的，可認(rèn)定為不合格。

從模擬練習(xí)試焊過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，按照廠家到貨的對(duì)接焊縫V型坡口直接對(duì)接焊接，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊縫底部未融合的情況，很難實(shí)現(xiàn)“單面焊接，雙面成型”的效果，需要對(duì)焊縫未融合部分進(jìn)行清理、重新焊接才能消除該缺陷。而將坡口形式修改為X型，直接采用雙面焊接的方式，可以確保焊接質(zhì)量，但需對(duì)槽型母線的組焊流程進(jìn)行調(diào)整。

3.4.3 母線組焊

東西關(guān)水電站母線改造施工原設(shè)計(jì)方案是將單槽銅母線通過(guò)連接片組焊成雙槽銅母線后吊裝至母線支架后再進(jìn)行對(duì)接縫的焊接，見(jiàn)圖2。試焊發(fā)現(xiàn)，通過(guò)單面焊接無(wú)法完全保證焊接質(zhì)量，則組焊方式應(yīng)先進(jìn)行對(duì)接縫的焊接，再進(jìn)行連接片的焊接。

圖2 東西關(guān)水電站雙槽銅母線原組焊方案示意圖

按照原設(shè)計(jì)方案施工，對(duì)接焊縫處焊縫底部未融合的部分無(wú)法進(jìn)行缺陷清理。

圖3 東西關(guān)水電站雙槽銅母線修改后的組焊方案示意圖

修改后的雙槽銅母線組焊方式為先進(jìn)行對(duì)接焊縫的焊接，從而可以及時(shí)處理對(duì)接焊縫焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，確保焊接質(zhì)量(圖3)。

修改后的雙槽銅母線組焊工序如下：

(1)對(duì)口、坡口處理。

為保證對(duì)口和焊接質(zhì)量，便于操作，地面焊接時(shí)應(yīng)搭設(shè)穩(wěn)固的平臺(tái)，將母線放在施工平臺(tái)上。將兩根對(duì)接的單槽母線對(duì)接檢查，如果局部縫寬度較大，應(yīng)對(duì)不規(guī)則的坡口進(jìn)行修磨，確保其拼裝對(duì)位后焊縫寬度基本一致；東西關(guān)水電站母線由生產(chǎn)廠家在廠內(nèi)已加工完坡口，坡口為單面V形，現(xiàn)場(chǎng)使用磨光機(jī)將坡口形式修改為X型坡口；清理坡口表面常有的氧化膜、水、油污等雜物(如不處理，在進(jìn)行焊接時(shí)焊縫會(huì)產(chǎn)生氣泡、夾渣，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生裂紋，因此，施焊前需給予清理)。

(2)焊前預(yù)熱。

由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱并保溫，以保證焊接處的溫度，施焊時(shí)才易形成熔池，從而保證母材與焊材熔合。 將預(yù)熱溫度控制在450 ℃～500 ℃之間，在坡口兩邊用石棉保溫被進(jìn)行包覆，每側(cè)覆蓋寬度不小于80 mm。 預(yù)熱方式采用乙炔-氧氣火焰，其中使用一把烤槍加溫焊縫區(qū)域正面，一把烤槍加溫焊縫區(qū)域背面。

(3)對(duì)接縫焊接。

焊接方式選用熔化極氬弧焊，焊接時(shí)先進(jìn)行槽內(nèi)側(cè)焊縫的焊接，焊接完成冷卻后，將對(duì)接后的單槽母線翻面，從槽外側(cè)使用磨光機(jī)進(jìn)行清根修磨，再進(jìn)行外側(cè)焊縫的焊接。

①設(shè)定焊接電流等參數(shù)(焊前應(yīng)在焊接試塊上整定好焊接電流等焊接參數(shù)，焊接電流為350～450 A)。

②為便于觀察熔池并填加焊絲，焊槍與工件夾角宜為75°～85°，焊絲與焊件間的夾角為10°～20°，操作時(shí)焊槍?xiě)?yīng)勻速、平穩(wěn)地向前作直線運(yùn)動(dòng)并保持恒定的電弧長(zhǎng)度，弧長(zhǎng)一般控制在2～4 mm，當(dāng)填充或蓋面時(shí)，焊絲應(yīng)做輕微橫向擺，在接頭填滿后，逐漸拉長(zhǎng)電弧滅弧。

③由于每面的焊接高度約為8 mm，為保證焊接質(zhì)量，分兩層焊接，第一層焊縫焊接完成后，用鋼絲刷或拋光機(jī)進(jìn)行清理，清除焊縫處的濺渣后才能繼續(xù)加熱進(jìn)行第二層的焊接，第二層焊接完成后需確保焊縫高度滿足要求(高出平面3～4 mm)。

④槽內(nèi)側(cè)一面焊縫焊接完成后，待母線適當(dāng)冷卻后將母線進(jìn)行翻面，對(duì)焊縫根部進(jìn)行清根處理；清根作業(yè)時(shí)，應(yīng)將焊縫底部未融合區(qū)域或存在其他缺陷的部位徹底清理干凈，然后再進(jìn)行加熱、焊接工作。

⑤焊接結(jié)束后，應(yīng)清理焊縫表面的飛濺物等，并仔細(xì)檢查焊縫表面的成形質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷，應(yīng)及時(shí)清除、重新焊接至外觀合格。

(4)單槽銅母線的檢驗(yàn)。

單槽銅母線對(duì)接焊縫焊接完成后進(jìn)行電阻率測(cè)量及X射線抽檢。由于單槽銅母線組成雙槽銅母線后對(duì)接縫處如果存在內(nèi)部缺陷將較難處理(無(wú)法進(jìn)行清根處理)，因此，在組成雙槽銅母線之前即應(yīng)對(duì)單槽銅母線的對(duì)接焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢查。

①焊縫外觀檢查：對(duì)接焊縫上的加強(qiáng)高度為3～4 mm，焊縫融合良好，呈圓弧過(guò)渡，表面光滑，沒(méi)有毛刺和凹凸不平之處，焊接接頭表面應(yīng)無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂紋、凹陷、缺肉、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。

②電阻率測(cè)試：電阻率采用雙臂電橋測(cè)試法，測(cè)定結(jié)果應(yīng)與母材接近(不超過(guò)銅的電阻率值的110%)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

③內(nèi)部檢查：用X射線探傷檢驗(yàn)，應(yīng)無(wú)明顯的未焊透、未融合、氣孔、咬邊等缺陷。

(5)組裝雙槽銅母線，焊接連接片。

將兩根已焊好的單槽銅母線進(jìn)行拼裝，使用固定母線用的工裝夾具，將兩根母線定位固定，按照?qǐng)D紙尺寸安裝槽間連接片。連接片在安裝前應(yīng)對(duì)連接片、母材安裝焊接位置進(jìn)行打磨處理；焊接采用與對(duì)接焊縫類(lèi)似的焊接方法。由于連接片主要起連接固定作用，不承載電流，因此，采用單面焊接即可，但焊前的清理、預(yù)熱等工序不能減少，否則無(wú)法熔焊。

3.4.4 雙槽銅母線的校正、清理

雙槽銅母線組焊完成后，清理連接片等焊接部位的飛濺雜物。由于母線經(jīng)過(guò)加溫、焊接等過(guò)程，局部可能存在彎曲等變形，應(yīng)采用錘擊等方式進(jìn)行校正。

3.4.5 雙槽銅母線的檢查與試驗(yàn)

雙槽銅母線焊接完成、母線的組裝、焊接工作結(jié)束后，需進(jìn)行安裝前的尺寸等質(zhì)量檢查，并進(jìn)行電阻率的最終測(cè)量。雖然單槽母線焊接完成后已進(jìn)行過(guò)電阻率測(cè)量，但由于組拼雙槽銅母線的兩根單槽銅母線電阻率不完全相同，為獲得最終較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，需對(duì)雙槽銅母線進(jìn)行電阻率測(cè)量，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與單槽銅母線電阻率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

在東西關(guān)水電站技術(shù)改造工程中，通過(guò)對(duì)銅母線焊接工藝的引進(jìn)、研究、改進(jìn)，既確保了焊接質(zhì)量，也使業(yè)主方主變停運(yùn)的時(shí)間大大縮短。業(yè)主方原計(jì)劃20～25 d停機(jī)更換母線，而組焊方案修改后，把停機(jī)后實(shí)施的對(duì)接焊縫焊接工作前移至停機(jī)前完成，使停機(jī)時(shí)間大幅縮短。實(shí)際停機(jī)后10 d內(nèi)完成了舊母線拆除、新母線安裝等工作，直接為業(yè)主方創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了業(yè)主方、監(jiān)理方的高度認(rèn)可和評(píng)價(jià)，同時(shí)也培養(yǎng)了一批掌握銅焊接工作的技術(shù)人員，亦使我公司的焊接技術(shù)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。